“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術(shù)

高向陽(yáng)

摘要：該技術(shù)通過(guò)非金屬料藍(lán)式超聲波清洗機(jī)和真空隧道式微波烘干聯(lián)合使用，對(duì)光伏類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)清洗、烘干。目前國(guó)內(nèi)無(wú)成型設(shè)備，真空隧道式微波烘干在光伏類企業(yè)中未有使用、并且在光伏類企業(yè)中清洗烘干領(lǐng)域內(nèi)未見(jiàn)超聲波與微波聯(lián)合使用的案例，該技術(shù)介紹超聲波清洗及微波烘干聯(lián)合在光伏產(chǎn)品的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗;微波烘干;多晶硅

一、超聲波清洗、微波烘干的背景

1.光伏清洗的概況

隨著不可再生能源的逐步枯竭，作為可再生能源-硅料，廣泛用于光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。多晶硅是光伏和半導(dǎo)體的原料，硅片轉(zhuǎn)化效率取決于硅料的質(zhì)量，其不僅受硅料內(nèi)部質(zhì)量的影響，還受硅料外表面質(zhì)量的影響。對(duì)于多晶原生料、硅片等光伏產(chǎn)品，表面存在浮塵、表面金屬、硅粉等影響后續(xù)影響電池或半導(dǎo)體器件的成品率和性能。

目前對(duì)硅料進(jìn)行清洗后，廣泛采用紅外烘干方法，烘干溫度高，要達(dá)到150℃以上，冷卻時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5-12小時(shí)，烘干時(shí)間長(zhǎng)、效率低、成本高等問(wèn)題。

超聲波超聲清洗無(wú)法將多晶原始料表面，全部通過(guò)超聲的方式清洗完全;對(duì)表面、裂紋、孔洞等較大縫隙的菜花料超聲清洗、烘干不完全，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，冷卻較長(zhǎng);紅外烘干技術(shù)對(duì)原始多晶線性尺寸在0-3mm、3-25mm、25-50mm的進(jìn)行烘干、冷卻效果較差，烘干不完全，冷卻較長(zhǎng)等缺陷問(wèn)題。

光伏類原生物料破碎好的異常料、菜花、碎料等種類產(chǎn)品需要進(jìn)行超聲波清洗，清洗后進(jìn)行烘干，達(dá)到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的質(zhì)量要求，以提高產(chǎn)品附加值。隨著光伏下游市場(chǎng)對(duì)多晶硅內(nèi)、外在品質(zhì)要求越來(lái)越高，多晶硅生產(chǎn)破碎過(guò)程可能引入二次污染。光伏多晶硅生產(chǎn)企業(yè)，以“注重細(xì)節(jié)、尊重客戶”為導(dǎo)向，對(duì)多晶硅破碎處理后，使用超純水進(jìn)行全部物料清洗以去除表面異物及粉塵等方式勢(shì)在必行。在多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，物料中破碎好的表面異常料、硅芯異常料、菜花、碎料等種類產(chǎn)品需要進(jìn)行超聲波清洗，處理后的物料清洗后進(jìn)行烘干，達(dá)到免洗料、免洗菜花料、免洗添加料的質(zhì)量要求，以提高產(chǎn)品附加值。

（1）目前需要清洗的多晶硅物料特性：

1）顆粒狀尺寸5-200mm;

2）外觀無(wú)規(guī)則;

3）間斷性料籃內(nèi)物料堆積高度碎料：10-30mm，菜花：110-130 mm;

4）表面、裂紋、孔洞狀菜花料;

（2）現(xiàn)有清洗機(jī)的現(xiàn)狀

現(xiàn)存超聲波清洗技術(shù)使用傳統(tǒng)的四槽超聲波自動(dòng)清洗機(jī)（隧道烘干線），烘干技術(shù)采用 “隧道內(nèi)高壓風(fēng)機(jī)切水--隧道熱風(fēng)循環(huán)干燥-冷卻風(fēng)下料” 的烘干技術(shù)。該裝置存在以下缺點(diǎn)：

1）料籃式設(shè)計(jì)，上下料困難。

2）料籃采用圓鋼SUS 304框架和細(xì)絲網(wǎng)焊接而成，存在金屬污染及金屬絲網(wǎng)老化脫落在多晶硅內(nèi)的重大質(zhì)量隱患。

3）物料框籃較小（400*550*260mm），清洗量較?。?-3Kg/籃，40 Kg/h）。

4）烘干熱量不均勻、烘干量較少。

5）清洗烘干厚度較低，對(duì)堆積密度較高或存在孔洞的物料清洗烘干效果差、時(shí)間長(zhǎng)、效率低。

（3）技術(shù)特點(diǎn)

超聲波裝置烘干后只能滿足25-150 mm大塊多晶硅烘干最低要求，但對(duì)顆粒狀尺寸3-25mm碎料和菜花料烘干效果較差，不能滿足要求，需要長(zhǎng)時(shí)間的靜置晾曬的方法進(jìn)行處理。長(zhǎng)時(shí)間靜置晾曬具有引入雜物、二次污染、占據(jù)較大生產(chǎn)空間、浪費(fèi)人力等問(wèn)題。

為了做好全面清洗物料的形勢(shì)需要，解決物料表面污染的生產(chǎn)瓶頸，研發(fā)清洗烘干技術(shù)，采用“舟式”超聲清洗技術(shù)，使用精密超聲（25-50kHz）波浸泡脫脂清洗。再通過(guò)純水噴淋漂洗物料表面的殘液，使多晶硅料達(dá)到最佳清洗效果。

烘干采用微波技術(shù)，微波能穿透被加工產(chǎn)品的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱較為合理。微波加熱可以對(duì)各類含水粉狀、顆粒狀、片狀、條狀、板狀、小型坯件等物料進(jìn)行烘干。30kw微波可以穿透顆粒狀堆積量高度在70-90 mm產(chǎn)品。微波加熱對(duì)顆粒狀、低濕含量的物料進(jìn)行干燥具有很多優(yōu)點(diǎn)，如干燥速度快，干燥均勻，節(jié)能，濕含量控制精確等優(yōu)點(diǎn)。

二、“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

1.開(kāi)發(fā)形式：

目前在多晶硅清洗烘干領(lǐng)域內(nèi)未見(jiàn)超聲波與微波聯(lián)合使用，未見(jiàn)“舟式”超聲波清洗機(jī)在多晶硅領(lǐng)域的運(yùn)用。提出符合物料技術(shù)參數(shù)要求，開(kāi)發(fā)“舟式”超聲波清洗機(jī)及超聲波清洗微波烘干聯(lián)合設(shè)備的設(shè)計(jì)。

2.創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）開(kāi)發(fā)“舟式”超聲波清洗機(jī)，采用寬幅非金屬PP輸送滾輪，避免了金屬污染;

（2）硅料單元經(jīng)四級(jí)清洗后，籃筐上位移動(dòng)往復(fù)掃描切水方式，將物料表面殘液吹掉，利于干燥。超聲波清洗機(jī)清洗后風(fēng)切切水，除水率達(dá)到98%左右，需采用熱風(fēng)風(fēng)切，溫度控制在80℃-100℃。

（3）弱酸清洗。

經(jīng)過(guò)純水槽清洗后的硅料單元自動(dòng)移位至酸洗槽，進(jìn)入槽內(nèi)弱酸清洗，所述弱酸可以為HNO3或HF或HNO3和HF混合酸，其濃度在0～5%，進(jìn)行低濃度酸清洗。

（4）純水系統(tǒng)的逆向溢流方式。

料藍(lán)進(jìn)入超聲波浸泡精洗脫脂可以清除物料表面酸殘液及雜質(zhì)，通過(guò)高精度的過(guò)濾循環(huán)系統(tǒng)及漂洗時(shí)逆向溢流方式（儲(chǔ)液槽配有100目粗過(guò)濾網(wǎng)框，槽內(nèi)設(shè)置兩道高低隔板沉淀過(guò)濾，再由噴淋泵抽啟凈液箱經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入腔體）沖洗儲(chǔ)液槽不停注入新的純水，達(dá)到高效的物料清洗效果;

（5）超聲波清洗-微波烘干設(shè)備聯(lián)合的設(shè)計(jì)。

真空微波技術(shù)降低產(chǎn)品表面水份的沸點(diǎn)，降低物料出料時(shí)溫度，縮短冷卻時(shí)間;微波加熱可以對(duì)各類含水粉狀、顆粒狀、片狀、條狀、板狀、小型坯件等無(wú)規(guī)則物料進(jìn)行烘干。30kw微波可以穿透顆粒狀堆積量高度在70-90 mm產(chǎn)品。微波技術(shù)烘干對(duì)具有小縫隙、小尺寸的產(chǎn)品烘干效果較好。

3.關(guān)鍵技術(shù)：

（1）設(shè)計(jì)制造一臺(tái)符合生產(chǎn)要求設(shè)備：一種“舟式”超聲波清洗-通道式微波烘干設(shè)備。

（2）有機(jī)物、表面金屬離子的去除的設(shè)計(jì)。

（3）純水系統(tǒng)的逆向溢流方式。

（4）超聲波清洗-微波烘干設(shè)備聯(lián)合的設(shè)計(jì)。

（5）真空微波處理光伏產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

4.技術(shù)路線：

（1）實(shí)施內(nèi)容：進(jìn)行設(shè)備具體參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)產(chǎn)能、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地、清洗烘干能力進(jìn)行確切核算、設(shè)計(jì)符合的需求的超聲波清洗微波加熱烘干設(shè)備。

（2）工藝流程：手動(dòng)上料→預(yù)清洗→XX去除→超聲波清洗→弱酸→超聲波清洗→超聲波清洗→出料→進(jìn)入真空微波干燥→冷卻出料。

三、“舟式”超聲波清洗-隧道式微波烘干技術(shù)清洗效果

1.對(duì)尺寸不規(guī)則多晶硅正品料進(jìn)行超聲清洗、微波烘干，物料連續(xù)生產(chǎn)，100%烘干效果，物料表面無(wú)水，含水率在0.01%。

2.對(duì)表面、裂紋、孔洞等菜花料超聲清洗、微波烘干，100%烘干效果，物料表面裂紋、孔洞無(wú)水，含水率在0.01% 。

3.每月600噸，30天/月，有效工作時(shí)間14小時(shí)/天。

四、微波烘干技術(shù)特點(diǎn)：

1.加熱均勻迅速、熱效率高。目前的的加熱方法是利用物質(zhì)的傳熱系數(shù)，從外到內(nèi)進(jìn)行熱量傳遞，而微波則對(duì)含水物質(zhì)內(nèi)外同時(shí)作用。因此加熱均勻迅速，節(jié)省能源與處理時(shí)間。

因?yàn)槎嗑Ч柙谖⒉▓?chǎng)中“內(nèi)外同熱”，碎料間縫隙或菜花空隙內(nèi)部的水分很快達(dá)到沸點(diǎn)，發(fā)生高強(qiáng)度蒸發(fā)，物料的質(zhì)構(gòu)阻礙水分流動(dòng)，故在碎料間縫隙或菜花空隙內(nèi)部形成壓力梯度，由于“內(nèi)外同熱”表面熱量易散失，碎料間縫隙或菜花空隙內(nèi)部形成正的溫度梯度和濕度梯度，三種狀態(tài)均能促使水分以液態(tài)、汽態(tài)或分子流的形式向多晶硅表面移動(dòng)。大大提高降速干燥階段的干燥速度，使很難干燥的碎料或菜花能快速得到均勻的干燥。

2.不引入二次污染。目前通過(guò)表金屬實(shí)驗(yàn)證實(shí)，現(xiàn)在通過(guò)石英加熱管加熱給多晶硅物料熱風(fēng)烘干，在風(fēng)機(jī)、氣體等作用下引入二次污染，表金屬增加13%左右。而通過(guò)微波加熱對(duì)多晶硅無(wú)外界物資引入。

3.由于微波能穿透一定厚度的物質(zhì)進(jìn)行處理，微波干燥的效率是傳統(tǒng)方法的幾倍至幾十倍。與此同時(shí)，它不破多晶硅原有的物理化學(xué)性質(zhì)。

4.節(jié)能高效。由于含有水分的物質(zhì)極易直接吸收微波而發(fā)熱，沒(méi)有經(jīng)過(guò)其他中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此除少量的傳輸損耗外幾乎無(wú)其他損耗。比一般常規(guī)加熱省電約30%～50% 。

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